崔玉濤,李順晉,王 媛,孫 凱,4,李浩然,張 偉,4*
(1 西南大學資源環境學院,重慶 400715;2 西南大學農業科學研究院,重慶 400715;3 西南大學長江經濟帶農業綠色發展研究中心,重慶 400715;4 農業農村部西南山地農業綠色低碳重點實驗室,重慶 400715)
我國蔬菜種植面大、增速快,截至2020 年,種植面積已超過2 千萬hm2[1]。與糧食作物相比,蔬菜根系分布淺,吸收能力弱,養分需求高[2],為滿足其養分需求,生產中磷肥投入量普遍過高,在露地蔬菜系統中,果菜類每年的磷素養分投入高達113.0 kg/hm2,辣椒的磷素投入量甚至高達379.5 kg/hm2。過高的磷肥投入降低了磷肥利用效率,我國菜田當季磷肥利用率僅在15.0%~40.0%[3],還導致磷素在土壤中累積,菜田土壤有效磷超過100 mg/kg[4-5],磷素在土壤中的大量累積增加了磷在土壤中的移動和流失風險,極大地增加了環境風險[6]。
無機磷向蔬菜根部的擴散是蔬菜吸收磷的主要途徑,由于蔬菜對磷的吸收速度遠高于其擴散速度,在生長后期,蔬菜根區會形成磷耗散區[7],根區需要更高的土壤有效磷供應才能滿足蔬菜高產的養分需求。磷肥施用方式顯著影響作物磷素吸收和利用率[8]。在當前蔬菜生產中,大多將磷肥均勻撒在土壤表面或結合耕作施入土體中,這樣的施用方法無疑會增加無機磷與土壤的接觸面積,提高了磷被固定或流失的風險[9]。而采用條施磷肥方法,條帶中心的活性磷供給率是距條帶中心10 cm 土壤的2 倍以上[10]。穴施肥料能在減少1/3 肥料用量的情況下,維持番茄產量不減產[11]。在酸性土壤中,將氮肥、磷肥共同穴施,隨著作物對硝酸鹽的吸收,根際土壤pH提高,有利于玉米生長,進而提高了對磷肥的吸收和利用[12-15]。農田磷素流失是造成我國農業面源污染、水體富營養化的主要原因之一[16]。磷輸入量直接影響著土壤的磷盈余量[17],而磷流失風險與當季農田磷素表觀盈余呈顯著正相關[18],因此,磷投入量大且盈余量高的蔬菜系統磷流失風險相對較大[17-18]。因此,采用合適的施磷方式也是減少磷肥投入和土壤磷盈余的重要途徑。
本研究以露天辣椒體系為對象,在控制氮肥(N 252.0 kg/hm2)、鉀肥(K2O 276.0 kg/hm2)施用量[19]條件下,分析不同施磷量和方法對辣椒產量、磷肥利用率及土壤磷素盈余的影響,為紅壤上辣椒生產改進施磷方式、減少磷肥投入量、降低環境風險提供理論依據。
試驗在我國西南地區典型紅壤上開展,試驗地位于云南省昆明市石林彝族自治縣石林鎮,年平均氣溫16.3℃,年平均降雨量939.5 mm,供試土壤為西南地區典型紅壤,質地為重壤。試驗前土壤基礎理化性質為pH 6.4 (土水比1∶2.5),有機質含量14.8 g/kg,堿解氮含量116.4 mg/kg,Olsen-P 含量 33.5 mg/kg,速效鉀含量100.0 mg/kg。
本試驗開始于2021 年。共設計6 個處理:不施磷對照(CK);常規撒施P2O5300 kg/hm2[20](B300);根據土壤有效磷水平及土壤-作物磷平衡體系確定[20]優化施磷量,撒施P2O5150 kg/hm2(B150);在優化施磷量基礎上減量撒施P2O5100 kg/hm2[11](B100);減量采用穴施P2O5100 kg/hm2(I100);減量氮磷配合穴施P2O5100 kg/hm2(L100)。所有處理磷肥全部作為基肥施用,施用方式按照處理要求進行,除L100 處理氮肥與磷肥穴施外,其他處理氮肥、鉀肥均采用撒施方式施用。各處理氮肥60.0 kg/hm2為底肥,剩余氮肥為追肥,每次追施48.0 kg/hm2,共追氮肥4 次;鉀肥60.0 kg/hm2為底肥,剩余鉀肥為追肥,每次追施54.0 kg/hm2,共追鉀肥4 次;追肥分別于初花期、初果期、盛果期(2 次)施用[19]。穴施在辣椒幼苗移栽前,在種植穴下方5 cm 處,將氮磷肥一起施入其中,覆土后移栽幼苗。其他追肥和管理措施所有處理一致。傳統施磷量根據前期課題組針對西南地區的調研及前人研究[20]確定。供試肥料為尿素(N 46.0%)、過磷酸鈣(P2O516.0%)、硫酸鉀(K2O 50.0%)。試驗小區面積為20 m2(4 m×5 m),每個試驗處理設置4 個重復,共計24 個試驗小區,隨機區組排列。
供試辣椒(CapsicumannuumL.) 品種為“辛香8 號”,種植密度為株距55 cm,行距50 cm。2021年5 月2 日移栽幼苗,9 月29 日全部收獲;2022 年5 月7 日移栽幼苗,9 月17 日全部收獲。按試驗地常規管理方式進行田間統一管理,確保試驗過程中無雜草和病蟲害發生。
土樣有效磷含量:辣椒收獲期,每個小區按照“S”型,取0—20 cm 土壤,NaHCO3浸提,鉬銻抗比色法[21]測定土壤Olsen-P,用于計算磷指數。
產量及生物量:辣椒結果期,各小區連續選取8 株辣椒,分3 次測產,前兩次摘取果長15 cm 以上的成熟果測產,第3 次摘取全株果實測產,產量為3 次測產總和。在第3 次測產時,各小區選取長勢均勻的3 株辣椒,帶回室內分為根、莖葉、果,各部分去離子水清洗后在烘箱內105℃殺青30 min,65℃烘干至恒重,稱其干重并計算生物量。本研究中,果實產量為辣椒鮮重,果實生物量為辣椒果實干物質重。
植株磷含量:植物樣品用全自動消解儀(S60UP)進行前處理(HNO3-H2O2消煮),后用ICP-OES 測定不同器官磷含量[22]。
各部位磷積累量為其生物量乘以其磷含量,植株磷積累量為各部位磷積累量之和。
磷肥吸收利用指標分別按照以下公式計算:
磷肥回收率(P recovery rate,PRR,%)=(施磷處理吸磷量-不施磷處理吸磷量)/施磷量×100[23];
磷肥農學效率(P agronomic efficiency,PAE,kg/kg)=(施磷處理產量-不施磷處理產量)/施磷量[23];
磷肥偏生產力(partial factor productivity of P,PFPP,kg/kg)=施磷處理產量/施磷量[24];
磷素表觀盈余(apparent P surplus,APS,kg/hm2)=磷輸入量-作物吸收量[4];
以上吸磷量、施磷量、表觀盈余公式均以純磷量(P,kg/hm2)進行計算。
凈收入(元/hm2)=產量×價格-成本,毛收入(元/hm2)=產量×價格[24];
磷指數(phosphorus index,PI):根據實際情況獲取各項因子,其中土壤侵蝕為云南省土壤侵蝕值[25],根據表1 判斷各項因子的權重值,計算各處理的磷指數及磷流失風險等級[26-28]。
表1 磷指數評價體系Table 1 Evaluation criterion of phosphorus index
式中:Wi為源因素指標權重;Wj為遷移因素指標權重。磷指數評價體系見表1,磷流失風險級別判定見表2。
表2 磷流失風險等級Table 2 Phosphorus loss risk grade scale
數據使用Microsoft Excel 進行整理,使用SPSS 20.0 進行方差分析,使用OriginPro 2023 作圖。
施用磷肥能提高辣椒鮮重產量,兩年趨勢一致。與CK 處理相比,B300、B100 處理辣椒產量增加未達顯著水平,B150、I100 以及L100 處理顯著增產,但這3 個施磷處理間沒有顯著差異(圖1)。各處理的辣椒總生物量(干物質重)差異不明顯,其中果實產量在總生物量中占比最大。2021 年,與CK 處理相比,施磷處理果實生物量顯著增加,施磷處理間沒有顯著差異;2022 年,與CK、B300處理相比,I100、L100 處理果實生物量顯著增加(圖1)。
圖1 不同磷肥施用量及方式下辣椒果實產量(鮮重)和總生物量(干重)Fig.1 Fruit yield (fresh weight) and total biomass (dry weight) of pepper under different phosphorus application amounts and methods
由圖2 可以看出,兩年試驗所有處理辣椒各部位的磷含量均沒有顯著差異,果實的磷累積量占比高,根和莖葉中磷累積量占比少,兩年根、莖葉磷累積量各處理間沒有顯著差異。2021 年,B150、I100、L100 處理的果實磷累積量顯著高于CK 處理;2022 年,僅L100 處理的果實磷累積量顯著高于CK 處理,其他施磷處理果實磷積累量與CK 處理均無顯著差異。
圖2 不同磷肥施用量及方式下辣椒成熟期不同部位磷含量及磷積累量Fig.2 Phosphorus content and accumulation in different parts of pepper under different phosphorus application amounts and methods
磷肥回收率兩年趨勢不一致,2021 年,在B150、B100、I100、L100 處理的磷肥回收率無顯著差異,B150、I100 和L100 處理顯著高于B300 處理;2022年,只有B100、I100、L100 處理的磷肥回收率顯著高于B300 處理,這3 個處理間(施磷方式之間)沒有顯著差異。磷肥農學效率,2021 年,I100、L100 處理顯著高于B150、B100 處理,后兩處理又顯著高于B300 處理;2022 年,B150、B100、I100 和L100處理的農學效率無顯著差異,4 者顯著高于B300 處理。磷肥偏生產力兩年均以I100、L100 處理最高,其次為B100、B150、B300 處理,除I100、L100處理之間差異不顯著,其他處理間差異達顯著水平(表3)。表明降低磷的施用量,且采用穴施可以顯著提升磷肥的農學效率和偏生產力。
表3 不同磷肥施用量及方式下辣椒磷肥利用率Table 3 Phosphorus fertilizer efficiency of pepper under different P application amounts and methods
土壤磷素表觀盈余量兩年趨勢一致,CK 處理為負盈余,即2021 和2022 年分別虧缺P 14.5、14.2 kg/hm2;B300 處理磷盈余量2021 和2022 年分別高達113.7 和116.4 kg/hm2。B150 磷盈余量較B300 2021 和2022 年分別降低67.5 和65.9 kg/hm2。B100、I100、L100 處理磷盈余量無顯著差異,2021年,B100、I100、L100 較B300 處理分別降低86.7、89.2、86.9 kg/hm2,2022 年分別降低88.1、87.5、88.1 kg/hm2(圖3)。相比B300 處理,其他施磷量及施用方式處理土壤磷素盈余降低59.5%~82.1%。
圖3 不同磷肥施用量及方式下磷素表觀盈余Fig.3 Apparent phosphorus surplus under different phosphorus application amounts and methods
磷指數能表征磷養分流失至水體的潛在風險[29],基于施磷量及方式、土壤速效磷含量計算分析,各處理磷指數CK 最低,B300、B150 最高,依據磷指數進行分級,施磷處理中I100、L100 的磷流失風險為低水平,其他施磷處理為中等水平(表4)。
表4 不同磷肥施用量及方式下磷指數及磷流失風險等級Table 4 Phosphorus index and P loss risk grades of the phosphorus treatments
與CK 相比,所有施磷方式均能增加收入,但施磷量增加會增加肥料成本,而穴施則會增加人工成本。與B300 處理相比,B150、I100、L100 處理兩年的凈收入更高,其中I100 處理的凈收入兩年均為最高(表5)。
表5 不同磷肥施用量及方式下辣椒的經濟效益(yuan/hm2)Table 5 Economic profit of pepper production under different phosphorus application amounts and methods
本研究發現當土壤有效磷較高時,適量的磷肥投入能提高辣椒產量,但少量或過量施磷對辣椒產量沒有明顯影響,研究發現,當土壤有效磷達到20.0 mg/kg,能滿足多數作物對磷的需求,過量的磷肥投入對作物沒有增產效應[30],本研究結果與其一致。在相同施磷量下,磷肥穴施并不能顯著增加辣椒產量,但與不施磷相比,撒施處理不能增加辣椒產量,而穴施能顯著增加辣椒產量,因此,將磷肥穴施能減少磷肥投入量并保證辣椒產量不減少。研究表明,肥料的放置位置對花椰菜、生菜產量沒有明顯影響[31],本研究與其相似。但也有研究表明,將肥料集中施用能有效提高玉米、油菜產量[32-33]。兩者差異是由土壤有效磷含量差異造成的,本研究土壤有效磷含量高于多數作物高產的臨界值,施用適量的磷肥就可以保證產量。研究表明,局部施肥能在減少施肥量的條件下,保證番茄、甘藍產量不減少[11,34]。磷肥穴施能有效減少無機磷與土壤的接觸面積,降低其在紅壤中的固定和流失,保持長期的養分供應[8,35],保證作物吸收的磷能滿足其生長,因此,在紅壤上將磷肥穴施能減少磷肥投入量并滿足辣椒對磷的需求,保證其不減產。
辣椒的果實磷含量高于根、莖葉磷含量,當辣椒從營養生長轉向生殖生長,磷便從根、莖葉中轉移到果實中[3,36]。磷肥用量對辣椒各部分的磷含量沒有明顯影響,不同施磷方式處理的辣椒果實的磷素積累量沒有顯著差異,原因是不同施磷方式下產量雖然有差異,但其生物量、磷含量沒有顯著差異,最終導致不同施磷方式下,磷素積累量沒有顯著差異。
將磷肥穴施能有效提高辣椒磷肥回收率,其兩年均為最高,但相同施磷量間沒有顯著差異,B300施磷量處理的磷肥回收率最低,在不減產的前提下,將磷肥穴施能減少磷肥投入,有效提高辣椒的磷肥回收率。研究表明,將磷肥集中施用能有效提高玉米、洋蔥等磷肥利用率[8]。辣椒的磷肥回收率最高僅為13.0%,當季利用率低。有研究表明,中國當季磷肥利用率不足20.0%[35],辣椒生產中,穴施處理的磷肥偏生產力均高于其他施磷處理,研究表明,磷肥穴施能提高玉米的磷肥偏生產力[37],本研究結果與其一致。
辣椒施磷處理均導致土壤磷素盈余,相同施磷量,不同施磷方式之間沒有顯著差異,而不同施磷量之間差異顯著,施磷量越高,土壤表觀磷盈余越多。優化施磷的磷素盈余雖然低于露地蔬菜系統92.0 kg/hm2的磷盈余[17],但卻遠超西部及全國農田磷素單位耕地,其磷素盈余分別為23.3、26.1 kg/hm2[38-39]。根據磷指數,磷肥穴施的磷流失風險為低水平。將磷肥穴施能減少土壤磷盈余,降低磷流失風險。將磷肥穴施的辣椒凈收益兩年均為最高,從農民經濟收益上來看,在本試驗的土壤肥力條件下,在100.0 kg/hm2的施磷水平下,將磷肥穴施的辣椒產值最好。
供試地區磷過量施用嚴重,將施磷量從常規的300 kg/hm2減到100 kg/hm2提升了辣椒產量,顯著增加了磷肥農學效率和偏生產力,大幅減少土壤磷素表觀盈余,將磷素流失從中風險級降至低風險級,辣椒生產的經濟效應也獲得增加。磷肥穴施效果好于撒施。